電子測量技術與應用項目29第57-58學時4.2

1、1第四章第四章 信號發(fā)生器信號發(fā)生器第三節(jié)第三節(jié) 函數信號發(fā)生器函數信號發(fā)生器Key words:函數信號發(fā)生器組成及作用函數信號發(fā)生器組成及作用 1) 脈沖式函數信號發(fā)生器脈沖式函數信號發(fā)生器 2) 正弦式函數信號發(fā)生器正弦式函數信號發(fā)生器合成信號發(fā)生器組成與作用合成信號發(fā)生器組成與作用 1）鎖相環(huán)特性）鎖相環(huán)特性 2）鎖相合成法原理）鎖相合成法原理2函數信號發(fā)生器函數信號發(fā)生器一、一、 工作原理及結構工作原理及結構函數信號發(fā)生器按其構成分為：函數信號發(fā)生器按其構成分為：脈沖式：在觸發(fā)脈沖的作用下觸發(fā)器產生方脈沖式：在觸發(fā)脈沖的作用下觸發(fā)器產生方 波，經變換得到三角波和正弦波。波，經變換得到

2、三角波和正弦波。正弦式：先產生正弦波再得到方波和三角波。正弦式：先產生正弦波再得到方波和三角波。合成式合成式 ：利用數字合成技術產生所需的波形。：利用數字合成技術產生所需的波形。 3（一）（一） 脈沖式函數信號發(fā)生器脈沖式函數信號發(fā)生器組成框圖 脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 放大器放大器 積分器積分器 正弦波轉換器正弦波轉換器 外觸發(fā)輸入外觸發(fā)輸入 輸出輸出 S1S2施密特觸施密特觸發(fā)器產生發(fā)器產生方波方波積分器將方積分器將方波積分形成波積分形成三角波三角波正弦波轉正弦波轉換器將三換器將三角波轉換角波轉換成正弦波成正弦波4組成：組成： 脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器 施密特觸發(fā)器施密特

3、觸發(fā)器 積分器積分器 正弦波轉換器正弦波轉換器5脈沖式函數信號發(fā)生器的工作過程如下：脈沖式函數信號發(fā)生器的工作過程如下： 在觸發(fā)脈沖的作用下，施密特觸發(fā)器在觸發(fā)脈沖的作用下，施密特觸發(fā)器產生方波，積分器將方波積分形成三角波，產生方波，積分器將方波積分形成三角波，正弦波轉換器將三角波轉換成正弦波。正正弦波轉換器將三角波轉換成正弦波。正弦波轉換器通常是令三角波信號經過非線弦波轉換器通常是令三角波信號經過非線性成形網絡，用分段折線逼近的方法來實性成形網絡，用分段折線逼近的方法來實現?，F。6緩沖級緩沖級正弦振蕩器正弦振蕩器放大級放大級輸出級輸出級方波形成方波形成積分器積分器（二）（二） 正弦式函數信號

4、發(fā)生器正弦式函數信號發(fā)生器7組成組成： 正弦振蕩器，緩沖級，方波形成，正弦振蕩器，緩沖級，方波形成， 積分器，放大器，輸出級積分器，放大器，輸出級 。原理原理：正弦振蕩器輸出正弦波，經緩沖級隔離后正弦振蕩器輸出正弦波，經緩沖級隔離后 一路送放大器輸出正弦波，一路送放大器輸出正弦波， 另一路作為方波形成電路的觸發(fā)信號。另一路作為方波形成電路的觸發(fā)信號。8 方波形成電路通常是施密特觸發(fā)器，其輸出：方波形成電路通常是施密特觸發(fā)器，其輸出： 一路送放大器，經放大后輸出方波；一路送放大器，經放大后輸出方波； 另一路作為積分器的輸入信號，另一路作為積分器的輸入信號， 積分器將方波積分形成三角波，積分器將方

5、波積分形成三角波， 經放大后輸出。經放大后輸出。函數信號發(fā)生器函數信號發(fā)生器特點：特點：可輸出多種波形的信號可輸出多種波形的信號。 9101112 三、三、 合成信號源合成信號源1. 1. 概述概述 鎖相技術，使得信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度和準鎖相技術，使得信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度和準確度提高到晶體振蕩器的水平，而且可以在很寬的確度提高到晶體振蕩器的水平，而且可以在很寬的頻率范圍內進行精細的頻率調節(jié)。這類信號發(fā)生器頻率范圍內進行精細的頻率調節(jié)。這類信號發(fā)生器輸出頻率、電平、衰減等可以程控。輸出頻率、電平、衰減等可以程控。頻率合成技術分為：頻率合成技術分為：直接頻率合成直接頻率合成和和間接合成法間接合

6、成法。數字頻率合成技術數字頻率合成技術：DDSDDS13直接頻率合成法：直接頻率合成法：利用混頻器、倍頻器及分頻器等利用混頻器、倍頻器及分頻器等對一個或幾個頻率的基準頻率進行算術運算，合成對一個或幾個頻率的基準頻率進行算術運算，合成所需要頻率，并用所需要頻率，并用窄帶濾波器窄帶濾波器選出。選出。優(yōu)點：優(yōu)點：頻率轉換速度較快，可靠性強；頻率轉換速度較快，可靠性強；缺點：缺點：要用很多中心頻率不同的窄帶濾波器來濾除要用很多中心頻率不同的窄帶濾波器來濾除雜波，需要大量濾波器，電路龐大，難集成，價格雜波，需要大量濾波器，電路龐大，難集成，價格昂貴。昂貴。間接頻率合成法：間接頻率合成法：又稱又稱鎖相合成

7、法鎖相合成法，利用鎖相環(huán)把，利用鎖相環(huán)把壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在基準頻率上，再利用壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在基準頻率上，再利用一個基準頻率通過不同形式的鎖相環(huán)合成所需要的一個基準頻率通過不同形式的鎖相環(huán)合成所需要的頻率。頻率。14相位比較器相位比較器 （PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LPF）壓控振蕩器壓控振蕩器 （VCO）fiuiu0foud圖2-8 基本鎖相環(huán)fo鎖相環(huán)組成： 相位比較器（PD） 環(huán)路濾波器（LPF） 壓控振蕩器（VCO）2. 鎖相環(huán)特性鎖相環(huán)特性 15相位比較器相位比較器 （PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LPF）壓控振蕩器壓控振蕩器 （VCO）fiuiu0foudfo基準

8、頻率源基準頻率源相位比較器相位比較器PD：用來比較兩個輸入信號的相位，其用來比較兩個輸入信號的相位，其輸出電壓比例于兩信號的相位差（輸出電壓比例于兩信號的相位差（ 稱為稱為 “誤差電壓誤差電壓” ）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器LPF：實際上是一個低通濾波器，用來濾實際上是一個低通濾波器，用來濾除相位比較器輸出的高頻成分和噪聲，以達到穩(wěn)定環(huán)除相位比較器輸出的高頻成分和噪聲，以達到穩(wěn)定環(huán)路工作和改善環(huán)路性能的目的。路工作和改善環(huán)路性能的目的。壓控振蕩器壓控振蕩器VCO：它的振蕩頻率可由電壓控制，通它的振蕩頻率可由電壓控制，通常利用變容管作為回路電容。常利用變容管作為回路電容。16 設鎖相環(huán)的輸入頻率設鎖相

9、環(huán)的輸入頻率 fi 為基準頻率為基準頻率fr，鎖相環(huán)開始工，鎖相環(huán)開始工作時作時VCOVCO的固有輸出信號頻率的固有輸出信號頻率 f0與基準頻率與基準頻率fr是不相等的。是不相等的。 存在固有誤差存在固有誤差 f = f0- fr ，兩個信號，兩個信號ui與與u0之間的相位差之間的相位差將隨時間變化，相位比較器將輸出與這個相位差變化有將隨時間變化，相位比較器將輸出與這個相位差變化有關的誤差電壓關的誤差電壓ud。誤差電壓通過。誤差電壓通過LPF加到加到VCO上。上。 VCO受誤差電壓控制，其輸出頻率朝受誤差電壓控制，其輸出頻率朝減小減小 f方向變方向變化，出現化，出現頻率牽引頻率牽引現象?，F象。

10、 f0向向fr越來越靠攏，直至越來越靠攏，直至f0= fr ，這時環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。環(huán)路從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)這時環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。環(huán)路從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程稱鎖相環(huán)的捕捉過程。的過程稱鎖相環(huán)的捕捉過程。17 鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)的一個基本特性是：鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)的一個基本特性是： 輸入信號輸入信號ui和輸出信號和輸出信號u0之間只存在一個穩(wěn)之間只存在一個穩(wěn)定的定的相位差相位差，而不存在，而不存在頻率差頻率差。鎖相合成法利用。鎖相合成法利用這個特性把這個特性把VCO的輸出頻率穩(wěn)定在基準頻率上。的輸出頻率穩(wěn)定在基準頻率上。183. 3. 鎖相合成法原理鎖相合成法原理只要鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)，

11、就有只要鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)，就有 f0= fr ，則輸出頻率則輸出頻率f0的穩(wěn)定度可提高到基準頻率的同一個量級。的穩(wěn)定度可提高到基準頻率的同一個量級。(1) 鎖相環(huán)的幾個基本概念鎖相環(huán)的幾個基本概念 鎖相環(huán)的跟蹤特性和同步帶寬鎖相環(huán)的跟蹤特性和同步帶寬: :跟蹤特性：跟蹤特性：環(huán)路輸出頻率可以精確地跟蹤上輸入頻率環(huán)路輸出頻率可以精確地跟蹤上輸入頻率的變化，這即是環(huán)路的跟蹤特性。的變化，這即是環(huán)路的跟蹤特性。同步帶寬：同步帶寬：把在環(huán)路保持鎖定的條件下，輸入頻率所把在環(huán)路保持鎖定的條件下，輸入頻率所允許的最大變化范圍定義為同步帶寬。允許的最大變化范圍定義為同步帶寬。19 鎖相環(huán)的捕捉與捕捉帶寬鎖

12、相環(huán)的捕捉與捕捉帶寬:捕捉過程環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大捕捉過程環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大允許的固有頻差，叫做允許的固有頻差，叫做“捕捉帶寬捕捉帶寬”。環(huán)路從失鎖。環(huán)路從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程稱為狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程稱為捕捉過程捕捉過程。 鎖相環(huán)的窄帶濾波特性鎖相環(huán)的窄帶濾波特性:對輸入信號的相位而言，鎖相環(huán)的頻率特性具有對輸入信號的相位而言，鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱環(huán)路低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱環(huán)路帶寬。帶寬。20(2) (2) 幾種基本的鎖相環(huán)幾種基本的鎖相環(huán) 混頻鎖相環(huán)混頻鎖相環(huán)可以對輸入頻率（基準頻率）進行加、減運算的

13、鎖相可以對輸入頻率（基準頻率）進行加、減運算的鎖相環(huán)。在基本鎖相環(huán)中加入混頻器環(huán)。在基本鎖相環(huán)中加入混頻器M M和帶通濾波器。和帶通濾波器。若混頻器是和頻式的，則輸出頻率是兩個基準頻率之若混頻器是和頻式的，則輸出頻率是兩個基準頻率之差差 f0 =fi1-fi2；若混頻器為差頻式的，輸出頻率是兩個；若混頻器為差頻式的，輸出頻率是兩個基準頻率之和基準頻率之和 f0 =fi1+fi2 。相位比較器相位比較器 （PDPD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LPFLPF）壓控振蕩器壓控振蕩器 （VCOVCO）fi1fi2fofi2ud圖圖 2-9 混頻式鎖相環(huán)混頻式鎖相環(huán)帶通濾波器帶通濾波器 （BPFBPF）混頻

14、器混頻器M （）f0f0=fi1fi2f0fi2由石英晶由石英晶振提供振提供由連續(xù)可調的由連續(xù)可調的LC 內插振蕩器提供內插振蕩器提供21若每日石英晶振的頻率穩(wěn)定度為若每日石英晶振的頻率穩(wěn)定度為110-6，每日內插，每日內插振蕩器的頻率穩(wěn)定度為振蕩器的頻率穩(wěn)定度為110- 4，通常，通常fi2的數值比的數值比fi1的數值小兩個量級，其頻率穩(wěn)定度的數值小兩個量級，其頻率穩(wěn)定度 f 0 / f0，仍能，仍能保持與基準頻率同一個量級。保持與基準頻率同一個量級。 倍頻鎖相環(huán)倍頻鎖相環(huán)可以對輸入頻率進行乘法運算的鎖相環(huán)稱倍頻環(huán)?？梢詫斎腩l率進行乘法運算的鎖相環(huán)稱倍頻環(huán)。兩種基本形式：脈沖控制環(huán)和數字環(huán)

15、。兩種基本形式：脈沖控制環(huán)和數字環(huán)。VCO圖2-10 脈沖控制倍頻環(huán)LPFPD石英晶振脈沖形成電路N倍頻fo=NfiNfifiPDLPFVCO分頻器 （N）fo=Nfifo/Nfi圖2-11 數字式倍頻環(huán)22脈沖控制環(huán)組成：脈沖控制環(huán)組成： 基本鎖相環(huán)基本鎖相環(huán) 高穩(wěn)定晶體振蕩器高穩(wěn)定晶體振蕩器 脈沖形成電路脈沖形成電路VCO圖2-10 脈沖控制倍頻環(huán)LPFPD石英晶振脈沖形成電路N倍頻fo=NfiNfifi 脈沖形成電路產生的窄脈沖包含有多次諧波脈沖形成電路產生的窄脈沖包含有多次諧波成分，選擇其中第成分，選擇其中第N次諧波和次諧波和VCOVCO信號在信號在PDPD中進行中進行相位比較。在環(huán)路

16、鎖定時，即滿足倍頻的關系。相位比較。在環(huán)路鎖定時，即滿足倍頻的關系。23脈沖控制環(huán)優(yōu)點：脈沖控制環(huán)優(yōu)點： 能夠利用最簡單的電路來實現高達數百次甚至千次以能夠利用最簡單的電路來實現高達數百次甚至千次以上的倍頻，只要有調諧上的倍頻，只要有調諧VCOVCO的固有頻率就可以十分方便的固有頻率就可以十分方便的改變分頻系數的改變分頻系數N N。適用于頻率間隔較大的高頻或甚高。適用于頻率間隔較大的高頻或甚高頻合成器。頻合成器。數字倍頻環(huán)作用：數字倍頻環(huán)作用：在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入數字分頻器。當環(huán)路在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入數字分頻器。當環(huán)路鎖定時，有鎖定時，有f i= f0 / N, 故故f 0 =

17、 Nfi ，只要改變分頻系數只要改變分頻系數N，就能改變倍頻的大小。就能改變倍頻的大小。24 分頻鎖相環(huán)分頻鎖相環(huán)可以對輸入頻率進行除法可以對輸入頻率進行除法運算的鎖相環(huán)。與倍頻鎖運算的鎖相環(huán)。與倍頻鎖相環(huán)相似，有兩種基本形相環(huán)相似，有兩種基本形式。式。 a a 為脈沖控制環(huán)為脈沖控制環(huán) b b 為數字環(huán)為數字環(huán)環(huán)路鎖定之后，其輸出頻率為：環(huán)路鎖定之后，其輸出頻率為： f 0 = f i / N PDLPFVCO脈沖形（N倍頻）（a）圖圖2-12 分頻式鎖相環(huán)分頻式鎖相環(huán)（a）脈沖控制環(huán)）脈沖控制環(huán) （b）數字環(huán)）數字環(huán)PDLPFVCONfo=fi/NNfofi（b）Nfofifo=fi/N2

18、5 多環(huán)合成單元多環(huán)合成單元一個實用的合成信號源一個實用的合成信號源僅用一個鎖相環(huán)是不夠僅用一個鎖相環(huán)是不夠的，一般都是由多環(huán)合的，一般都是由多環(huán)合成單元組成的，形成組成單元組成的，形成組合式鎖相環(huán)。鎖相環(huán)就合式鎖相環(huán)。鎖相環(huán)就是在環(huán)路的反饋支路中是在環(huán)路的反饋支路中加入混頻器、分頻器及加入混頻器、分頻器及帶通濾波器等。在環(huán)路鎖定時，鎖相環(huán)輸出頻率帶通濾波器等。在環(huán)路鎖定時，鎖相環(huán)輸出頻率f0=Nfi1+fi2 , 通常通常fi1為由石英晶振提供的基準頻率；為由石英晶振提供的基準頻率； fi2為由內插振蕩器提供的可調頻率。改變分頻系數為由內插振蕩器提供的可調頻率。改變分頻系數及調諧頻率及調諧頻

19、率fi2即可實現兩個鎖定點之間的連續(xù)調節(jié)。即可實現兩個鎖定點之間的連續(xù)調節(jié)。fo=Nfi1+fi2PDLPFVCO(fo-fi2) / Nfi1圖圖2-13 組合式鎖相環(huán)組合式鎖相環(huán)BPF()Nfi226PDfrfo=fr /NNf0基準基準頻率源頻率源LPFVCO脈沖形成脈沖形成電路電路基準基準頻率源頻率源Nf0f0=fr /N分頻式鎖相環(huán)分頻式鎖相環(huán)27多環(huán)合成多環(huán)合成采用多環(huán)合成可以提高頻率分辨力采用多環(huán)合成可以提高頻率分辨力輸出輸出 f0= ( N2 + 0.1N1 ) fiLPFLPF=(+)28采用微處理器可控小數分頻鎖相環(huán)的組成框圖 這個環(huán)路中的分頻器既可整數分頻，又可進行這個環(huán)

20、路中的分頻器既可整數分頻，又可進行小數分頻，例如，當小數分頻，例如，當fi i=100kHz=100kHz時，采用時，采用18.918.9倍分頻倍分頻器，可得器，可得 fo o=1890kHz=1890kHz的輸出頻率。分頻系數中含有的輸出頻率。分頻系數中含有小數點后面的位數越多，頻率分辨力越高。小數點后面的位數越多，頻率分辨力越高。 PD 小數分頻器 CPU VCO LFN / (N-1)f if 029相位比較器相位比較器（PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器（LPF）壓控振蕩器壓控振蕩器（VCO）fruiu0foudfo相位比較器相位比較器（PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器（LPF）壓控振蕩器壓控振蕩器（VCO）frf0帶通濾波器帶通濾波器（BPFBPF）混頻器混頻器( () )頻率源頻率源1 1頻率源頻率源2 2f2f0f2fr=(f0